智能变电站合并单元二次信号无线相位测试装置的研制

王露钢　姜来　张辉　毕立伍　王冬冬　钟一鸣

摘   要：为了解决使用外电压引基准信号进行各电压等级分布的合并单元的二次信号相位测试难题，设计了新型的相位测试装置。在500 kV变电站的现场应用、电流互感器二次电流2 mA条件下，该装置能够准确地对变比、极性和相位进行准确测量。在变压器差动回路检查时（即在六角图测试时），由于变压器短路阻抗较高，在保护装置的显示屏幕上无法准确读取二次电流数据时，能够使用该装置完成对二次接线的核查。有效地避免了带负荷校验保护和计量回路极性错误，具有智能化、操作简便化等特点，能够同时满足常规变电站、智能变电站的测试需求，为下一步智能变电站的研究奠定技术基础。

关键词：智能变电站;二次信号相位;测试装置;基准信号;二次接线

文献标识码：TN98                                      文献标识码：A

Development of Secondary Signal Wireless Phase Test

Device for Intelligent Substation Merging Unit

WANG Lu-gang ，JIANG Lai，ZHANG Hui，BI Li-wu，WANG Dong-dong，ZHONG Yi-ming

（Jilin Transmission and Transformation Engineering Co.，Ltd.，Changchun，Jilin 130000）

Abstract：In order to solve the secondary signal phase test problem of the merging unit of each voltage level distribution using the external voltage reference signal，a new phase test device is designed. The device can accurately measure the ratio，polarity and phase accurately in the field application of the 500 kV substation and the secondary current of the current transformer of 2 mA. The device accurately measures the ratio，polarity and phase accurately. When the transformer differential circuit is checked （that is，during the hexagonal test），because the transformer short-circuit impedance is high，when the secondary current data cannot be accurately read on the display screen of the protection device，the device can be used to complete the secondary wiring verification，which effectively avoids the load calibration protection and the polarity of the measurement loop. It is intelligent and easy to operate. It can meet the test requirements of conventional substation and intelligent substation at the same time，which lay the technical foundation for the next step of research on intelligent substation.

Key words：intelligent substation;secondary signal phase;test device;reference signal;secondary wiring

隨着智能数字变电站大量应用，二次设备的安装地点及运行环境发生了巨大变化，不同电压等级的母线、开关的互感器二次信号在合并单元处直接转化为数字信号[1-3]，通过光纤网络传送到中心控制室。合并单元简称MU，是指对一次互感器传输过来的电气量进行合并和同步处理，并将处理后的数字信号按照特定格式转发给间隔层设备使用的装置[4-5]。在新装的继电保护装置带电负荷校验中，包括三相通流模拟带电负荷试验中，由于合并单元分布在不同位置，导致二次信号的电压、电流之间相位测试极为不便，为了对测试点之间互感器的电压（或电流）信号进行相位检查，目前较为常见的方式为采用相位表进行测量，必须采用拖线的方式测量[6]。对于大型变电站拖线距离可达几百米，且从一个测试点到另一个测试点可能绕过多重障碍，复杂的测试环境导致走线错综复杂，测量效率低，且长距离拖线容易产生安全隐患。

目前，对于远距离测相的方案主要有采用GPS信号同步和采用专用同步脉冲线的方式[7]，硬件复杂，成本高，而且要求现场具有GPS信号[8];采用专用同步脉冲线要铺设专用电缆，如何采用低成本、且可靠性高的通讯方式是要解决的关键技术问题。

GPS时间基准准确度高，无累计误差，可适用于空旷的室外环境，但也存在局限性，其表现在：

（1）GPS无线信号的接受仅适用于室外空旷环境，室内接收必须引出GPS天线，几米甚至十几米的GPS天线同样给测量带来不便，且长距离GPS天线会导致信号强度的下降。

（2）空旷环境下，GPS无线接收模块30 s可以接收到正确的时间脉冲信息，但无法接收到正确的时间信息[6-8]。无论全球市占率第一的SIRF还是注明的瑞士芯片厂商U-box在NMEA（美国国家海洋电子协会）协议发送中均考虑到润秒（每12.5分钟更新一次）问题，导致时间校准需要1至13分钟甚至更长才能完成，占用了大量的测量时间，降低测量效率。

（3）GPS无线信号与433 MHz无线数传信号同时使用时可能引起射频信号干扰，导致信号强度低。普通的时间校准采用单片机的RTC加32.768K晶振实现，其频率偏差很难突破1 ppm（百万分之一），对于工频信号，1 ppm的频率偏差会导致36°/h的角度偏差，两台设备的极限偏差为72°/h，过高的测量误差导致设备很难长时间使用，不能满足变电站现场对相位测试的精度要求[9-12]。

基于上述技术不足，设计了出一种新型的二次信号无线相位测试装置，下文将详细介绍。

1   装置设计的技术要求

对于无线相位测量装置，要实现相位的精准测量，必须解决时间同步问题，现有时间同步方式可分为两种，一种为选择一方作为时间基准，另一方按照该基准校对，例如RTC时钟校对;另一种为选择第三方作为基准，所有测量装置均按照该基准同步，例如GPS秒脉冲同步。RTC时钟校对精度差，很难突破±1ppm的偏差（全温度范围内百万分之一的偏差），长达1小时的测量中会造成3.6 ms的误差（3 600 × 10-3 × 1 106 = 3.6），转化为工频相位偏差为64.8°。GPS时间精度高，无累计误差，但GPS在现场使用中同样存在各种问题，包括：

（1）仅能在室外使用或者室内连接短则几米，长则几十米的天线延长线至室外;

（2）GPS接收信号与无线测量中的无线数据传输信号可能产生射频干扰;

（3）虽然GPS在30 s就能产生秒脉冲，但因闰秒接收到的正确时间可能会达到12.5 min甚至更长。

基于上述技术存在的缺陷，在设计时，需要按照《DL/T995-2006继电保护和电网安全自动装置检验规程》规定的要求进行[13-15]，该要求为：

（1）新建变电站一、二次设备安装完毕后，带负荷进行向量检查是继电保护技术工作中非常重要的项目，向量错误将导致正常运行状态或故障状态的继电保护误动或拒动，继电保护正式投运前必须保证向量的正确性。

（2）对新安装的或设备回路有较大变动的装置，在投入运行前，必须用一次电流及工作电压加以校验和判定：

（a）对接入电流、电压的相互相位、极性有严格要求的装置（如带方向的电流保护、距离保护等），其相别、相位关系以及所保护的方向是否正确。

（b）电流差动保护（母线、发电机、变压器的差动保护、线路纵联差动保护及横差保护等）接到保护回路中的各组电流回路的相对极性关系及变比是否正确。

（c）利用相序滤过器构成的保护所接入的电流（电压）的相序是否正确、滤过器的调整是否合适。

（d）每组电流互感器（包括备用绕组）的接线是否正确，回路联接是否牢靠。

（3）用一次电流与工作电压检验，需要完成如下项目：

（a）测量电压、电流的幅值及相位关系。

（b）对使用电压互感器三次电圧或零序电流互感器电流的装置，应利用一次电流与工作电压向装置中相应元件通入模拟的故障量或改变被检查元件的试验接线方法，以判断装置接线的正确性。

（c）测量电流差动保护各组电流互感器的相位及差动回路中的差电流（或差电压），以判明差动回路接线的正确性。所有差动保护（母线、变压器、发电机的纵、横差等）在投入运行前，除测定相回路和差回路外，还必须测量各中性线的不平衡电流、电压，以保证装置和二次回路接線的正确性。

（d）检查相序滤过器不平衡输出的数值，应满足装置的技术条件。

（e）所有保护用电流回路在投入运行前，除应在负荷电流满足电流互感器精度和测量表计精度的条件下测定变比、极性以及电流和电压回路相位关系正确外，还必须测量各中性线的不平衡电流（或电压），以保证保护装置和二次回路接线的正确性。

2   系统设计方案

基于上述讨论，研制的测试装置以成套装置形式存在，标配一台主机，可根据要求选定任一电压或电流做为参考基准，配备三台手持分机，对分布点的电压（或电流）进行实测，将测试到的信号幅值及同参考基准的相位信息通过无线通讯方式发送到主机，主机屏幕最多可以同时显示三组共9路电压，三组共9路电流的幅值及相位，覆盖了三圈变压器差动保护六角图形的绘制测试需求。使用时可将无线相位伏安表主机在主控室内任选一相做基准，三组工作人员携带分机可在变电站任意位置测量不同电压等级的电压幅值、相位信息及电流幅值、相位信息，并通过无线的方式将测量结果传输给主机，同时分机可实时呼叫主机回传已测试存储的信号相位关系。其中高精度无线相位伏安测试仪主要作用如下：

在使用成套装置进行三相通流、加压试验时，即可检查所施加的三相相序是否正确，调整电源输出按照既定的现场测试方案进行通流、加压。可满足传统变电站二次测试的便捷性，也满足智能变电站二次模拟量（合并单元）分布测量的需求。通过无线相位伏安测试仪选定单相电压做为参考基准，对所有测试点进行极性、变比、相位检查。二次信号无线相位测试装置结构组成如图1所示。

在硬件配置方面，所选Cortex M4处理器具有单精度硬件浮点运算功能，主机分机内置高能可充电锂电池，满足测量及通讯功能对电源的要求，充满一次可连续工作24小时以上，主机采用7寸工业级触摸屏：操作简便、分辨率高、宽视角亮度高、清晰;手持分机具有电压通讯测量、电流通讯测量、单机测量、二次负荷测量、无线中继、数据回传等功能。主机材料为高强度塑钢密封箱，绝缘、防潮、防尘、防摔性能好，分机采用手持式便携性好，电流钳采用高精度尖嘴型，满足现场密集排线测量。

以变压器SFSZ9-180000/220主变带负荷差动保护二次电流大小和方向测试为例，由装置测试完成全部测试，主机生成主变差动六角图。其中变压器额定容量：180 MVA/180 MVA /6 MVA;额定电压：220±8*1.25/110±4*1.25/10 kV;接线组别：YN yn0 d11;变压器带负荷测试数据见下表所示。（以高压侧A相电压UN为参考量，实测相角是电流滞后电压的角度）。

基于上述硬件条件，开始仿真试验，仿真系统采用的语言为VisualC#，采用的服务器操作系统为 WindowsServer2015，数据库管理系统软件为 SQLServer2015，Web 服务器软件为IIS6.0，以UN为参考基准显示出六角图如图5所示。在图5中，其为主机以UN电压（REF） 为相位检查参考基准，方向默认12点，该相位图表中H对应高压侧，M对应中压侧、L对应低压侧，黄、绿、红色代表A、B、C三相。

在图6中，其为主机改变相位参考基准后的六角图，通过“基准”键可选择IHA为参考基准，方向默认12点，直观检查差动接线。对于断路器失灵保护、微机母差保护、故障录波、监控系统电度计量、监控、安稳及备自投等都可参考上述方式进行保护二次回路的接线检查。

上述测量仅针对工频及变频的整数频率进行测量，以保证主分机的同频同步，同时主分机同步采样及无线传输需要更多的时间，导致通讯测量时幅值相位更新速率低，为3 s/次。根据上述存在的问题，为保证测量精度和测量准确度，需要卡入电流钳或插入电压测试线后等待幅值測量稳定再发送测量数据，同时，分机自动检测幅值的稳定度，根据需要自动延迟数据的传输。

通过实验，主机接线后可实现无人看守，全程通过分机发送指令即可实现主机操作;三台分机可多人分工，前往不同测试地点，测试效率大大提高。

单机使用时，可同时将电压与电流的相位幅值一次测试，或以电压为参考基准，分别测试三组电流信号与参考电压的相位信息，替代了传统三相相位伏安表，使用该装置完成了对二次接线的核查。

4   结   论

在设计过程中存在一些技术难点，具体表现为：

难点一：

无线相位伏安测试仪相位测量时间的同步，无线相位表必须有第三方参考基准才能实现相位的同步测量，常用的315 MHz、433 MHz及2.4 G无线信号的延时一般都是几十毫秒至几百毫秒不等，无法满足相位的测量需求。GPS信号受环境的影响较大，无法满足室内测量，高精度时间校准难以实现，保证半小时内累计误差小于50 ns是无线相位测量的关键技术和难点之一。

难点二：

在小信号测量过程中，环境工频背景和电子式电源的高频辐射干扰对测量结果影响很大，如果不滤波会造成过零点采样时电平的震荡，而采用普通的滤波方式又很容易造成相位的偏差，因此采用数字滤波方式，需利用快速傅里叶变换实现相位及幅值在强干扰下的正确测量。

本技术方案适用于新（扩）建及智能变电站启动投产带负荷测试，验证一次回路对应各组电压、电流互感器变比及差动保护差流正确性核对，具有效率高，试验结果直观可靠、正确性高，设备操作简便，易被认可及推广，后期使用前景较好。

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